造 穎1，唐 亮1，何 攻1，帥 紅1，陳 寧1，徐永干

(1.國網重慶市電力公司 調控中心，重慶400015；2.重慶大學 電氣工程學院，重慶400044)

配電網是電力系統(tǒng)中電能分配的重要環(huán)節(jié)，與電力用戶直接相連。據統(tǒng)計，配電系統(tǒng)故障在整個電力系統(tǒng)故障中的占比超過85%，而當前配電網架空線發(fā)生故障的原因中，有80%以上是來自單相接地故障[1-4]，因此，這類故障給配電網的安全運行帶來很大的威脅。線路出現故障后，需要盡快確定故障點位置。當前仍采取人工檢查線路的操作方式，這會造成資源浪費，操作過程中也容易出現安全事故[5-7]。所以，有必要研究一種確定性的自動判斷配電網故障區(qū)段定位的判據，實現快速準確的故障定位，以協(xié)助工作人員在盡可能短的時間內修復故障，這對于提高配電系統(tǒng)的可靠性具有重要意義[8-10]。

本文提出一種基于波形相似原理的故障點區(qū)域定位方法，運用單相接地故障點兩側的零序電流的波形相似度來區(qū)分上游故障和下游故障，通過分段逐個比對零序電流的相似度來判斷故障點區(qū)域所在位置。最后，在PSCAD搭建仿真模型，結果驗證了該方法可以快速實現故障點區(qū)域定位，協(xié)助工作人員盡快查找故障點并修復故障。

1 一種基于電網波形比較實現配網單相接地故障區(qū)域分析方法

1.1 原理

目前配網故障的區(qū)段定位方法一般通過線路上安裝數據采集監(jiān)測單元來實現。運用單相接地故障點兩側的零序電流的波形相似度來區(qū)分上游故障和下游故障，無需電壓測量，其原理和具體實現方法如下。

當配電網中某處發(fā)生單相接地故障時，設該區(qū)域供電端母線處為M端，距離M點l處為N點，此時，有以下幾種情況。

1)測量元件安裝方式相同時

S10：當配電網中未發(fā)生故障時，N點零序電流波形和M點零序電流波形相似，以N點為新的起點，距N點l處的下一個測量點O的零序電流波形也與N處零序電流波形相似。

S11：當配電網中距M點l處發(fā)生單相接地故障時，若lL，則l處零序電流波形和M點不相似，故障點就在MN段線路。

2)測量元件安裝方式相反時

當測量元件安裝方式相反時，將N點波形相角延遲180°再與M點零序電壓進行比較。

1.2 原理

1.2.1 波相關性方法

上述的原理是比較簡單的，人用肉眼看很直觀，但是要微處理器或是邏輯處理模塊處理則比較困難。相關性是反映兩個變量之間相似性的統(tǒng)計信息，得益于統(tǒng)計知識的使用(幾何平均值和標準差)，軟件能夠對高中低的概念進行理解;得益于相關性系數的概念，可以在軟件中實現相似度的概念。

1.2.2 時域下的模變換矩陣

傳統(tǒng)的對稱分量變換又稱作相序變換，在三相交流穩(wěn)態(tài)計算中經常使用。但是工頻分量的計算往往需要一定長度的數據窗，這不利于實現快速保護動作。針對傳統(tǒng)對稱分量法使用的局限性，出現了瞬時值對稱分量變換：

f120=S-1fABC，fABC=Sf120

(1)

式中，f120=[f1,f2,f0]T，fABC=[fA,fB,fC]T，a=ej120，瞬時對稱分量變換矩陣為

(2)

瞬時值對稱分量變換和傳統(tǒng)對稱分量變換的最大不同點在于瞬時值對稱分量一般都是復數變量，而對稱分量則都是相量。

1.2.3 故障區(qū)域定位實現步驟

1)當配電網中某處發(fā)生單相接地故障時，根據故障錄波裝置的數據，可得該區(qū)域供電端母線處(記為M端)的三相電流采樣值isMA(k)，isMB(k)，isMC(k)。設相距遠l處的下一個監(jiān)測點為N，N處的三相電流采樣值isNA(k)，isNB(k)，isNC(k)。

2)利用瞬時值對稱分量變換將(1)采樣得到M端三相電流離散采樣值變換得到M端零序電流和iM0。

3)利用瞬時值對稱分量變換將(1)采樣得到的N端三相電流離散采樣值進行變換后得到N端零序電流和iN0。

4)將計算所得的N點零序電流iN0與M零序電流iM0分別對比，若滿足波形相似的條件，則M與N之間無故障發(fā)生。

5)以N點為新的起點，用相同的方法比較下一個測量點O的零序電流波形，直到找到一條線路不滿足(4)中的條件，可判定此區(qū)段就是故障發(fā)生的區(qū)段。

2 仿真驗證

通過PSCAD搭建仿真模型，對上述基于波形相似原理的判斷故障點的方法進行驗證。仿真參數：雙端電源電壓有效值U=220 kV，相位相差30°，系統(tǒng)頻率f=50 Hz，線路電阻R=0.013 33 Ω/km，線路電感L=0.847 3 mH/km,線路電容C=0.013 9 μF/km。分別在圖1中2、3、4處設置單相接地故障。

圖1 三相線路仿真系統(tǒng)

I01、I02、I03、I04分別對應1、2、3、4處右側電流互感器測到的零序電流，當2處發(fā)生A相接地故障時(見圖2)，I02、I03和I04的零序波形在故障時，明顯和I01不相似。

圖2 2處故障零序波形圖

當3處發(fā)生A相接地故障時(見圖3)，I02的零序波形在故障時與I01相似，I03和I04的零序波形在故障時，明顯與I01不相似。

圖3 3處故障零序波形圖

當4處發(fā)生A相接地故障時(見圖4)，I02，I03的零序波形在故障時與I01相似，I04的零序波形在故障時，明顯與I01不相似。

故障點上游波形相似，而下游波形與上游不相似，通過這種逐段驗證的方法，即可判定故障點所在區(qū)域。

圖4 4處故障零序波形圖

3 結論

本文提出一種基于波形相似原理的故障點區(qū)域定位方法，并通過PSCAD搭建仿真模型進行驗證，結果表明：該方法可以實現快速準確的故障定位，協(xié)助工作人員在盡可能短的時間內修復故障，為配電系統(tǒng)安全可靠的運行提供保障。